國(guó)新春

（寶武集團(tuán)馬鋼交材科技有限公司， 安徽 馬鞍山 243000）

貨運(yùn)重載已成為當(dāng)今世界鐵路運(yùn)輸?shù)闹髁靼l(fā)展方向，大功率機(jī)車(chē)營(yíng)運(yùn)而生，投入運(yùn)營(yíng)的數(shù)量逐年遞增。但是，重載帶來(lái)的車(chē)輪踏面剝離質(zhì)量問(wèn)題也越發(fā)突出，嚴(yán)重影響車(chē)輪的使用壽命。一般定義剝離是指車(chē)輪在運(yùn)行過(guò)程中由于制動(dòng)熱作用或輪軌滾動(dòng)接觸疲勞作用而在踏面圓周或部分圓周上呈現(xiàn)出的金屬掉塊剝落損傷和魚(yú)磷狀或龜紋狀熱裂紋現(xiàn)象[1]。在車(chē)輪出現(xiàn)微裂紋后，一般要對(duì)輪對(duì)進(jìn)行相應(yīng)的落輪旋削或打磨，車(chē)輪踏面出現(xiàn)剝離掉塊嚴(yán)重時(shí)需要更換輪對(duì)，這都將大大增加鐵路部門(mén)的運(yùn)輸成本[2-3]。

1 大功率機(jī)車(chē)車(chē)輪常見(jiàn)剝離形貌特征

根據(jù)多年大功率機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)的跟蹤結(jié)果，大功率機(jī)車(chē)車(chē)輪的剝離型式主要分三種：接觸疲勞剝離、制動(dòng)剝離、擦傷剝離。其表面形貌如圖1 所示。由于剝離的形成原因各有差異，故在實(shí)際觀察中剝離可呈現(xiàn)出不同的宏觀形貌[4-10]，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。

表1 剝離類(lèi)型、表面形貌、金相組織形態(tài)及失效原因

圖1 機(jī)車(chē)車(chē)輪典型剝離形貌

車(chē)輪疲勞剝離機(jī)理是車(chē)輪在行進(jìn)過(guò)程中，受到復(fù)合型載荷（垂向力、切向力和橫向力）周期性的塑性變形的作用，使得車(chē)輪踏面變形區(qū)的殘余應(yīng)力達(dá)到其應(yīng)力極限，疲勞裂紋將會(huì)向車(chē)輪踏面內(nèi)部擴(kuò)展。在塑性積累區(qū)邊緣明顯有翹起的金屬層，它是表層材料處于破碎和剝離的臨界狀態(tài)，如圖2 所示。制動(dòng)剝離和擦傷剝離被認(rèn)為是熱裂紋損傷和機(jī)械作用下馬氏體白層破碎的結(jié)果。

圖2 塑性變形區(qū)的顯微照片

制動(dòng)熱和擦傷熱往往會(huì)使車(chē)輪踏面與軌道面接觸區(qū)達(dá)到材料的奧氏體化溫度，奧氏體化區(qū)域的深度可以在踏面下方達(dá)1 mm。在隨后在空氣中快速冷卻的過(guò)程中，過(guò)冷的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘤驳鸟R氏體，在輪軌接觸表面形成馬氏體白層，馬氏體白層的厚度可達(dá)0.2~0.7 mm。局部的馬氏體白層與基體有著不同的材料性質(zhì)，是裂紋萌生和剝離產(chǎn)生的重要原因。

2 提高大功率機(jī)車(chē)抗剝離性能的生產(chǎn)工藝改進(jìn)

2.1 微合金化車(chē)輪鋼的成分設(shè)計(jì)

從剝離產(chǎn)生的機(jī)理分析，提高車(chē)輪踏面變形抗力是抑制剝離的有效途徑之一。車(chē)輪用鋼成分中，硅元素和錳元素的加入可以起到固溶強(qiáng)化的作用，同時(shí)提高車(chē)輪鋼的熱穩(wěn)定性，從而降低車(chē)輪材料對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞和棘輪效應(yīng)的敏感性，而減緩疲勞裂紋的萌生[11]。硅元素是非碳化物形成元素，不存在于滲碳體中而主要固溶于體心立方晶格的鐵素體中，和鐵原子較大的尺寸差使鐵素體晶格產(chǎn)生強(qiáng)烈的畸變，形成固溶強(qiáng)化。這種固溶強(qiáng)化作用不僅體現(xiàn)在車(chē)輪鋼的先共析鐵素體中，還存在于珠光體鐵素體中。車(chē)輪鋼顯微組織以珠光體組織為主，因此，硅元素的加入會(huì)增加車(chē)輪鋼的總體強(qiáng)度，且較碳元素相比，對(duì)材料塑性的降低較小。硅元素可有效縮短珠光體轉(zhuǎn)化時(shí)間，減少馬氏體的形成。

2.2 提高熱處理加熱爐均勻性

熱處理工藝是決定車(chē)輪綜合性能的關(guān)鍵，環(huán)形加熱爐采用分區(qū)溫度控制，提高加熱爐的溫度場(chǎng)的均勻性。沿環(huán)形爐圓周方向設(shè)置10 個(gè)溫度控制區(qū)，每控制區(qū)上部爐頂沿爐寬方向?qū)ΨQ(chēng)安裝二根熱電偶參與爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)。爐壁兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置裝分別裝有兩支監(jiān)控爐溫電偶，這樣爐溫控制和檢測(cè)做到全覆蓋，無(wú)死角。

環(huán)形加熱爐燒嘴密集布置并且采用以小火焰控制。提高爐溫的均勻性，全爐使用高速燒嘴脈沖控制加大對(duì)爐膛氣氛的攪動(dòng)，脈沖燃燒過(guò)程充分地?cái)噭?dòng)爐內(nèi)的氣氛來(lái)獲得均勻的加熱強(qiáng)度，提高爐內(nèi)傳熱效果。

爐膛壓力應(yīng)保持爐膛微正壓0~20 Pa，在此壓力下，可有效地防止外部冷氣侵入和火焰外延。爐膛壓力主要通過(guò)調(diào)節(jié)煙道閘板開(kāi)度來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，本方案在煙道內(nèi)布置金屬換熱器，將助燃空氣預(yù)熱到300~350 ℃，改善爐內(nèi)燃燒狀況，節(jié)能降耗。燃料燃燒效率提高，爐氣更容易充滿(mǎn)爐膛，爐溫會(huì)更加均勻。

為驗(yàn)證改善效果，采用爐溫跟蹤儀重點(diǎn)對(duì)溫差最大的外環(huán)溫度進(jìn)行了測(cè)量，從爐膛中部的5 號(hào)測(cè)點(diǎn)，到爐膛外環(huán)的1 號(hào)測(cè)點(diǎn)，除預(yù)熱段以外，爐內(nèi)寬度方向上的溫差基本控制在10 ℃以?xún)?nèi)，爐溫改善效果明顯。

2.3 車(chē)輪淬火冷卻工藝

車(chē)輪鋼材料組織以珠光體組織為主，珠光體的片層間距大小在很大程度上決定了材料的總體韌性。珠光體片層間距越小，車(chē)輪鋼抗斷裂性能越好。通過(guò)對(duì)大功率車(chē)輪鋼J2 材質(zhì)研究分析，900 ℃奧氏體化后用8 ℃/s，3 ℃/s、0.8 ℃/s 等不同的冷卻速率獲得不同片層間距的珠光體組織。三種工藝下的顯微組織及珠光體偏間距如圖3，冷速的提高促進(jìn)了珠光體片層間距的細(xì)化。

圖3 三種不同冷速下的的顯微組織

3 結(jié)語(yǔ)

車(chē)輪踏面剝離是車(chē)輪損傷的一種形式，普遍存在于現(xiàn)役列車(chē)輪對(duì)中。從形成機(jī)理和原因來(lái)區(qū)分主要分為滾動(dòng)接觸疲勞剝離、制動(dòng)剝離和擦傷剝離三種。滾動(dòng)接觸疲勞剝離的產(chǎn)生被認(rèn)為是踏面表面材料塑性變形積累導(dǎo)致疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的結(jié)果。本文從車(chē)輪鋼的成分合金化、熱處理工藝改進(jìn)來(lái)提高大功率機(jī)車(chē)車(chē)輪的抗剝離性能。剝離的產(chǎn)生是多因素共同耦合的作用，針對(duì)不同的影響因素可以采取一定的措施減少剝離的產(chǎn)生。如優(yōu)化機(jī)車(chē)的控制性能，減少空轉(zhuǎn)和滑行對(duì)踏面的損傷、用規(guī)范的或新型的增黏劑等等。